鐵路智能機務信息系統方案研究

龔 利

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所， 北京 100081）

鐵路機務信息化已經在機車調度、運用安全、檢修、整備、設備、驗收等領域得到實現，鐵路技術人員研發了許多機務應用系統，也積累了一定的技術和經驗[1-2]，如各鐵路局集團公司（簡稱：鐵路局）機務段使用的機車整備信息管理系統，對整備流程實現了有效的監控，提高了機車運用效率。但此類機務信息系統均未能實現全路層面的整體應用，系統間各自為戰、互不聯通、名稱各異、標準不一，無法形成規模效應，導致了全路機務信息系統發展不平衡的現狀[3]。

本文在中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）和鐵路局層面建立機務信息集成交換平臺，整合各機務系統，構建鐵路智能機務信息系統。

1 系統數據架構

智能機務信息系統數據架構可以分為5個層次，分別是數據采集層、數據傳輸層、數據共享層、數據分析層和數據應用層，如圖1所示。

圖1 智能機務信息系統數據架構圖

1.1 數據采集層

按照信息采集規范性、系統操作易用性、人機交互友好性的原則，鐵路智能機務信息系統應充分利用信息自動采集技術，通過各類傳感器、攝像頭、二維碼、射頻識別（RFID，Radio Frequncy Identification）、智能穿戴等技術手段實現對機車、關鍵零部件、作業者、生產設備等對象身份、狀態和過程信息的采集、監測、識別和控制，以方便操作、提高效率，避免數據錯誤、遺漏和延遲等問題[4]。

1.2 數據傳輸層

充分利用GSM-R、3G/4G、北斗短報文、WLAN、4GTDLTE等無線傳輸技術建成全面覆蓋的無線網絡，同時利用基于消息隊列（MQ，Message Queue）技術的鐵路統一傳輸平臺，對鐵路信息網中各專業應用系統提供統一的傳輸服務。通過建設共享、便捷、高速的無線和有線通信網絡，達到信息快速、可靠傳輸和共享的目的。

1.3 數據共享層

系統遵照統一的機務信息系統基礎數據信息編碼規范和數據協議接口規范，通過共享平臺數據接口，將基礎編碼、機車、機務運行信息、乘務員、機車電子履歷等基礎數據庫與運用安全、整備、檢修、驗收、設備等多個業務系統的數據庫進行整合，使其成為一個實現數據共享、互聯互通的高效機務數據平臺。

1.4 數據分析層

應用大數據、商業智能、數據挖掘等技術，對機務大數據進行加工與整合，實現不同業務領域之間的交叉分析與前瞻分析[5]。對于機務特有業務分析模型和算法，可通過算法實現并行化等手段來滿足大數據處理需求，提高算法實施應用性能。為機務生產作業、經營管理以及戰略決策提供分析與決策支撐。

1.5 數據應用層

提供地理信息系統（GIS，Geographic Information System）、指標報表、定制服務、信息推送、可視化展現、多維分析等功能，滿足各級機務用戶的應用操作需求。

2 智能機務信息系統總體框架

結合機務信息系統的發展現狀、發展規劃及發展目標，智能機務信息系統總體框架可分為機務綜合平臺、基礎系統、業務系統及專家系統4個部分，其下細分為17個子系統，如圖2所示。

圖2 智能機務信息系統總體框架圖

智能機務信息系統是基于國鐵集團、鐵路局、機務段的3級系統，還涉及機車和配件造修企業。智能機務信息系統與運輸信息集成平臺、電務、車輛、物資、統計等其它系統應有信息共享接口，統一設計硬件平臺、系統軟件平臺，運行于鐵路信息網內，并提供外網訪問入口。

2.1 綜合平臺

2.1.1 綜合查詢子系統

國鐵集團與各鐵路局分別搭建了鐵路機務管理信息綜合查詢子系統，為國鐵集團、鐵路局及機務段等各級用戶提供了完整的機務綜合信息查詢和輔助決策服務。綜合查詢子系統具有電子地圖、綜合統計分析、基礎編碼維護、共享資料查詢、辦公管理、用戶及權限管理、互聯網訪問接入等功能。

2.1.2 數據共享接口

通過共享數據庫、MQ 或Web服務等方式，在國鐵集團、鐵路局、機務段3級實現與鐵路運輸信息集成平臺、調度、電務車載、車號自動識別、車輛5T、供電6C、統計、物資、勞資、財務等系統的數據共享。

2.1.3 數據庫

包括基礎編碼數據庫、機車基礎數據庫、乘務員基礎數據庫、車載信息數據庫、機務運行信息數據庫、機車檢修計劃信息數據庫、機車電子履歷信息數據庫、機務設備數據庫、機車質量信息數據庫、機車故障及臨修數據庫、機油消耗臺賬數據庫、機車車載安全裝備信息數據庫、機車乘務員勞時統計數據庫、救援列車出動臺賬數據庫等。

2.2 基礎系統

2.2.1 中國機車遠程監測與診斷（CMD）系統

CMD 系統功能主要包括以下幾點。

（1）機車實時數據和歷史數據的信息采集、傳輸以及地面專家故障診斷分析等功能，能夠支持機車運用精細化指揮和管理技術，實現機車實時定位，動態追蹤人車圖（乘務員、機車、運行圖）功能。

（2）構建安全風險實時防控體系，對在途機車設備進行遠程狀態監測、診斷和故障排除，定位機車故障并確定修程，預估機車運行質量狀態，提高機車整備檢修效率。

（3）建立機車質量客觀評價體系，實現機車安全風險實時防控。實現LKJ、TCMS、6A 等信息的集成和數據挖掘，為運用、管理和維修提供數據支撐[6]。

2.2.2 機務運行信息自動采集系統

機務運行信息自動采集系統對CMD系統運行信息、車號識別系統定位信息、運安系統指紋出退勤（出入寓）信息、LKJ 記錄文件以及鐵路運輸信息集成平臺中列車運行線、列車運行時刻、確報等共享信息進行自動采集和整合，并實時上傳機務運行信息數據庫和電子報單數據庫，為運輸調度、機務運安、機車整備系統提供機車及乘務員定位、人車圖綁定、超勞預警等數據支持。

2.2.3 機車電子檔案管理系統

機車電子檔案管理系統實現對機車及高價互換配件的全壽命周期管理和機車技術綜合管理，建立與運用、檢修、整備等相關信息的鏈接，形成機車全生命周期大履歷系統。系統實現了以機車為基礎的機車-部件-檢修管理模式，對機車從生產、運用、檢修到報廢全過程進行跟蹤記錄，符合鐵路局一車一檔的要求。系統充分利用先進的數據管理模式和控制手段，追蹤機車檔案歷史，記錄機車全部運用信息，保證機車檔案信息的完整，部件記錄的準確和全面，提高了機車運用的安全性[7]。

2.2.4 機車及動車組司機管理系統

機車及動車組司機管理系統實現機車及動車組司機的基礎數據庫維護、駕駛證換證、年鑒管理和勞時統計分析等功能,有效地提高了司機勞動效率。

2.3 業務系統

2.3.1 機務運用安全管理系統

機務運用安全管理系統是一套提供了機車運用、乘務及機車安全管理等業務功能的綜合系統，實現了對機車乘務員各作業環節及狀態的全過程監控。該系統的建立對于優化機務段運用安全管理水平、防止系統漏洞 、實現規范管理 和強基達標的目標效果顯著。

2.3.2 機車整備管理系統

機車整備管理系統是為實現機車網絡化大整備格局、順利實施輪乘制、保證機車長交路、加強輪乘制條件下機車運用及質量管理，提供地檢、外勤、維修（臨修、碎修、小輔修）、保潔、保養、燃整、數據整備等多項整備職能的管理信息系統[8]。該系統實現了對機車整備作業過程的監控與管理,同時對整備作業過程中的檢修數據和檢修信息進行記錄與分析,提高了機車整備質量[9]。

2.3.3 機車檢修管理系統

機車檢修管理系統遵照機車換件修和主要零部件專業化集中修的要求，實現大功率機車檢修段和機車中修段檢修生產的網絡化、信息化管理，對記名檢修、機車部件（配件）檢測試驗進行重點卡控，保證合格配件上車，為恢復機車基本質量提供保障。

2.3.4 機車驗收管理系統

機車驗收管理系統與機車檢修、整備管理系統緊密銜接，實現驗收部門在機車及其部件檢修和零部件產品質量方面進行監督管理。有利于機車檢修質量的提高，同時，也是實現機車驗收工作標準化的需要。

2.3.5 機務設備管理系統

機務設備管理系統是一套實現了設備技術管理、通過能力查定、設備檢修管理以及設備鑒定、評定等功能的系統。該系統以機車設備全生命周期的管理為基礎，實現了機務設備、物資及資本運轉的管理。對于提高機務部門運用及檢修的工作效率和工作質量，降低運營生產成本具有重要的意義[10]。

2.3.6 機務燃料管理系統

機務燃料管理系統實現油庫現場自動化監測和控制、燃油收存耗發自動化計量、在途油罐車及段內油罐車的占用追蹤、加油車位置定位及遠程發油數據監測、燃油化驗分析、燃油（電）熱力分析、自動生成統計報表、油庫遠程視頻監控等的信息化、網絡化管理。

2.3.7 機務救援指揮系統

機務救援指揮系統包含電子地圖、遠程指揮、日常演練、出動臺賬等功能，共享各類信息資源，基于大量成功案例，為鐵路事故救援提供信息和輔助決策支持。

2.4 專家系統

2.4.1 TCMS專家系統

列車控制管理系統（TCMS）專家系統，結合CMD系統，基于對機車車載數據自動轉儲和深度分析，具備故障自動清洗、智能數據關聯分析、深度故障診斷、故障預警預測、海量專家知識庫等功能。TCMS專家系統的智能化診斷和預警功能可全面支撐機車精準檢修與安全運行。

2.4.2 6A專家系統

機車車載安全防護系統（6A）專家系統是一套具備機務領域專家水平知識與經驗的系統。該系統利用人類專家的知識和方法來處理機車的相關問題，可根據機車歷史數據,故障經驗案例等先驗知識,將機車數據進行自身歷史數據的縱向對比，多子系統之間互相關聯綜合判斷，多車之間同工況橫向比較，結合概率統計等方法，給出智能推理和決策。解決了機車運用過程中比較突出的安全防護問題，對保障鐵路機車的運行安全有著重要意義,有效地提高了我國機車安全防護系統的整體水平。

2.4.3 JK11430型機車走行部車載監控專家系統

JK11430型機車走行部車載監控專家系統是一套基于模式識別技術，以實現對機車走行部主要組件（軸承、傳動齒輪以及輪對踏面等）監測信息的趨勢判斷分析、地面數據診斷、數據健康管理、維修指導以及技術管理等功能的系統。該系統提供了機車走行部的故障診斷手段，提高了數據分析和故障判定、處置的能力，為機車走行部的狀態檢修和安全運行發揮重要作用。

3 關鍵技術

3.1 物聯網技術

鐵路機務物聯網基于各種設備條件，利用智能傳感器、RFID等信息感知設備，按約定協議，通過網絡連接各種鐵路對象，進行信息交換和通信，搭建一套高效智能感知識別系統以實現對鐵路對象的智能化識別、追蹤、定位和管控，是實現智能鐵路的重要支撐。目前，和諧型機車上大量裝備智能傳感器和攝像頭，機務段地面系統廣泛應用RFID、遙感、二維碼、智能穿戴等技術和裝備，加之日趨完善的網絡等各方面的條件已經大致滿足了物聯網在鐵路行業的推廣和應用，能夠從整體上提升鐵路業務管控水平，發揮物聯網對實際業務的基礎支撐作用，充分釋放鐵路應用創新潛能[11]。

例如，根據國鐵集團要求，機務專業在機車出入段閘樓等地點加裝車號識別設備，將采集到的機車出入段信息納入統一的鐵路車號自動識別信息系統中，與編組站出發/到達和分界站采集的機車車號信息共同形成機車軌跡，構建完整的機車運行數據鏈。系統建設以來，先后在約60個機務段安裝了集中控制管理系統設備和500多套自動識別設備，在全路機車上安裝了電子標簽。通過與運用安全系統、整備系統、檢修系統以及CMD系統等的數據整合，實現了機車的全運行軌跡的追蹤，保證了機務信息數據鏈的完整。

3.2 云計算技術

云計算技術通過多節點并行計算、分布式存儲、資源虛擬化等技術以及自助管理計算、存儲資源等能力，實現了彈性及高效的公共信息資源處理方式，使用者通過實際需求，分配相應的計算及資源，獲得動態可擴充的信息處理能力和應用服務。

進入高速發展的鐵路信息化時代，帶來的不僅是路網安全等級與精細維護要求的大幅提升，也帶來了指數級增長的數據和更大的數據處理壓力，對鐵路機務信息化管理也帶來了巨大的挑戰和壓力，傳統的基于大型機的數據中心，離散的信息管理模式已無法應對當下鐵路信息化需求[12]。構建鐵路智能機務信息系統，需要處理的機務業務包括機車運行狀態、機車電子履歷、機車檢修、設備、安全和機車乘務員等方面的數據，運用機器智能學習、數據分析、專家系統和自動決策等多種方法，從原始海量數據中挖取相關信息，提煉出信息中蘊涵的知識，發現準確規律，提供智能化管理、控制和服務。對海量信息的智能挖掘和快速處理需要巨大的存儲能力和計算能力，云計算的海量數據分布式存儲和并行處理能力為實現人工智能提供了重要的途徑[13-14]。

4 結束語

機務信息化以機車的管理為核心內容，是鐵路信息化非常重要的組成部分。本方案圍繞人車圖3要素，全方面整合機務信息資源，實現與其它相關信息系統的有效銜接，達到提升效率、節約成本、縮減流程、提升安全風險管控水平的目的，滿足機車造、修、管、用各業務需求。系統在擴大運輸能力、優化資源配置、提高運輸效率、保障運輸安全、提升管理水平、改進服務質量、增加經濟效益等方面發揮顯著作用，為鐵路跨越式發展提供技術支撐與保障。

目前機務運用安全管理系統、機車整備管理系統、JK11430專家系統、6A專家系統和CMD系統等已經在全路各機務段廣泛應用，提升了機務信息化水平，提高了管理和生產效率，取得了良好的效果。機車電子檔案管理系統、機車信息自動采集系統、TCMS專家系統等雖起步較晚，但也在部分鐵路局機務段試點應用，取得了一定成效。這些系統的運用極大地方便了機務段技術科人員分析處置機車狀況，從整體上提升鐵路機務業務處理水平。